The Geometry of Scattering and the Momentum Triangle

Η γεωμετρία της σκέδασης και το τρίγωνο των ορμών

Σχήμα 1 – Σκέδαση σωματιδίου Α υπό γωνία 90° από αρχικά ακίνητο σωματίδιο Β και το αντίστοιχο τρίγωνο ορμών

📘 Εκφώνηση

Η έννοια της κρούσης έχει επεκταθεί και στο μικρόκοσμο, ώστε να περιλαμβάνει φαινόμενα όπου τα «συγκρουόμενα» σωματίδια δεν έρχονται σε επαφή. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με μεγάλες δυνάμεις όταν πλησιάσουν αρκετά, με αποτέλεσμα την απότομη αλλαγή στην κινητική τους κατάσταση σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Το φαινόμενο λέγεται σκέδαση.

Σωματίδιο Α με κινητική ενέργεια $K_0$ κινείται ευθύγραμμα και σκεδάζεται υπό γωνία $90^\circ$ ως προς την αρχική του διεύθυνση, όταν πλησιάσει αρκετά σε αρχικά ακίνητο σωματίδιο Β. Η μάζα του σωματιδίου Β είναι διπλάσια από τη μάζα του Α.

Α. Να προσδιορίσετε τη διεύθυνση κίνησης του σωματιδίου Β μετά την «κρούση».
Β. Να υπολογίσετε, σε συνάρτηση με την κινητική ενέργεια $K_0$, τις κινητικές ενέργειες των σωματιδίων Α και Β μετά την «κρούση».

🔍 Λύση

Λύση

Δεδομένα

• Σωματίδιο Α: μάζα $m$, αρχική κινητική ενέργεια $K_0$.
• Σωματίδιο Β: μάζα $2m$, αρχικά ακίνητο ($K_B = 0$).
• Μετά τη σκέδαση, το Α κινείται υπό γωνία $90^\circ$ ως προς την αρχική του διεύθυνση.

Α. Διεύθυνση κίνησης του Β

Από την Αρχή Διατήρησης της Ορμής:

$$ \vec{p}_0 = \vec{p}_A' + \vec{p}_B' $$

Επειδή $\vec{p}_0 \perp \vec{p}_A'$, το τρίγωνο ορμών είναι ορθογώνιο. Έτσι, η ορμή του Β σχηματίζει γωνία $\theta$ με την αρχική διεύθυνση, όπου:

$$ \tan\theta = \frac{p_A'}{p_0} \quad \text{και} \quad p_B' = \sqrt{p_0^2 + p_A'^2} $$

Από την επίλυση των εξισώσεων (βλ. παρακάτω) προκύπτει:

$$ \theta = 30^\circ $$

Συμπέρασμα: Το σωματίδιο Β κινείται υπό γωνία $30^\circ$ ως προς την αρχική διεύθυνση του Α.

Β. Κινητικές ενέργειες μετά την κρούση

Έστω $p_0$ η αρχική ορμή του Α, $p_A'$ η ορμή του Α μετά και $p_B'$ η ορμή του Β μετά.

• $p_0 = \sqrt{2mK_0}$
• $p_A' = \sqrt{2mK_A}$
• $p_B' = \sqrt{2(2m)K_B} = \sqrt{4mK_B}$

Από το ορθογώνιο τρίγωνο ορμών:

$$ p_B'^2 = p_0^2 + p_A'^2 \implies 4mK_B = 2mK_0 + 2mK_A \implies 2K_B = K_0 + K_A $$

Από τη διατήρηση της ενέργειας (ελαστική κρούση):

$$ K_0 = K_A + K_B \implies K_B = K_0 - K_A $$

Αντικαθιστώντας:

$$ 2(K_0 - K_A) = K_0 + K_A \implies 2K_0 - 2K_A = K_0 + K_A \implies K_0 = 3K_A $$

$$ K_A = \frac{K_0}{3}, \qquad K_B = \frac{2K_0}{3} $$

Επαλήθευση της γωνίας:

$$ p_0 = \sqrt{2mK_0}, \quad p_B' = \sqrt{4mK_B} = \sqrt{4m \cdot \frac{2K_0}{3}} = \sqrt{\frac{8mK_0}{3}} $$

$$ \cos\theta = \frac{p_0}{p_B'} = \frac{\sqrt{2mK_0}}{\sqrt{\frac{8mK_0}{3}}} = \sqrt{\frac{2mK_0 \cdot 3}{8mK_0}} = \sqrt{\frac{3}{4}} = \frac{\sqrt{3}}{2} \implies \theta = 30^\circ $$

💡 Σχόλιο

Η σκέδαση υπό γωνία $90^\circ$ οδηγεί σε ορθογώνιο τρίγωνο ορμών. Η σχέση των μαζών $m$ και $2m$ καθορίζει την κατανομή της κινητικής ενέργειας:

$$ K_A = \frac{K_0}{3}, \qquad K_B = \frac{2K_0}{3} $$

Αυτό σημαίνει ότι το βαρύτερο σωματίδιο (Β) αποκτά τα 2/3 της αρχικής ενέργειας, ενώ το ελαφρύτερο (Α) διατηρεί το 1/3.

Η άσκηση αποτελεί κλασικό παράδειγμα σκέδασης στον μικρόκοσμο και είναι θεμελιώδης για την κατανόηση φαινομένων όπως το φαινόμενο Compton.

Overall Test on Oscillations (NEW) | Complete Solutions

Γενικό Διαγώνισμα στις Ταλαντώσεις (ΝΕΟ)

"Ισορροπημένο, προσιτό, δίκαιο – για κάθε μαθητή που έχει κατανοήσει σε βάθος το σχολικό βιβλίο. | Του συναδέλφου Αναστάσιου Νέζη"

ΘΕΜΑ Α

Α1.

Σε μια απλή αρμονική ταλάντωση, χωρίς αρχική φάση, με περίοδο $T$ και πλάτος $A$, το διανυόμενο διάστημα σε χρόνο $\Delta t = \frac{7T}{4}$ είναι:

• α) $3{,}5 A$
• β) $7 A$
• γ) $14 A$
• δ) $17{,}5 A$

Μονάδες 5

Δείτε την αναλυτική λύση

Η ταλάντωση δίνεται χωρίς αρχική φάση ($\phi_0 = 0$), άρα η εξίσωση απομάκρυνσης είναι:

$$\displaystyle x(t) = A \sin(\omega t)$$

Στην $t = 0$ το σώμα βρίσκεται στη θέση $x = 0$ και κινείται προς τη θετική κατεύθυνση ($v > 0$).

Σε κάθε χρονικό διάστημα $\frac{T}{4}$, το σώμα διανύει απόσταση ίση με το πλάτος $A$:

• Περνά από την θετική ακραία θέση ($x = +A$).
• Επιστρέφει στη θέση ισορροπίας ($x = 0$).
• Φτάνει στην αρνητική ακραία θέση ($x = -A$).

Άρα σε χρόνο $\Delta t = 7 \cdot \frac{T}{4}$ θα διανύσει συνολικό διάστημα:

$$\displaystyle S = 7 \cdot A = 7A$$

Σωστή απάντηση: β) 7Α

📖 Θέλετε να δείτε το διαγώνισμα σε πλήρη οθόνη;

🔗 Δείτε περισσότερα

Ανοίγει σε νέα καρτέλα

Κατεβάστε το διαγώνισμα

📄 Κατεβάστε σε PDF 📝 Κατεβάστε σε Word

Δημιουργία: Αναστάσιος Νέζης | nezistasos.com

Επιμέλεια Ανάρτησης: Τάσος Τζανόπουλος | httpmyphysics.blogspot.com

themata-pankypriwn-exetasewn

🔗 Πηγαίνετε στη σελίδα με το υλικό

2 exercises on oscillations using springs and an inclined plane

⚡ 2 Ασκήσεις Ταλαντώσεων με Πλήρεις Λύσεις ⚡

Ταλαντώσεις – Ελατήρια – Κεκλιμένο Επίπεδο

Άσκηση 1

Σώμα μάζας \(m_1 = 1\,\mathrm{kg}\) ισορροπεί τοποθετημένο στο ελεύθερο πάνω άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς \(k = 100\,\mathrm{N/m}\). Το άλλο άκρο του ελατηρίου είναι στερεωμένο στο δάπεδο. Τοποθετούμε πάνω στο σώμα μάζας \(m_1\) ένα άλλο σώμα μάζας \(m_2 = 3\,\mathrm{kg}\).

α. Δυναμική ενέργεια ελατηρίου πριν την τοποθέτηση του \(m_2\)

β. Μέγιστη ταχύτητα του συστήματος

γ. Μέγιστη συμπίεση του ελατηρίου

▶ Λύση Άσκησης 1

α) Δυναμική ενέργεια ελατηρίου πριν την τοποθέτηση του \(m_2\)

Βήμα 1: Αρχική συμπίεση του ελατηρίου (\(x_1\))

\[ kx_1 = m_1g \implies x_1 = \frac{m_1g}{k} = \frac{1 \cdot 10}{100} = 0.1\,\mathrm{m} \]

Βήμα 2: Δυναμική ενέργεια ελατηρίου

\[ U_1 = \frac{1}{2}kx_1^2 = \frac{1}{2} \cdot 100 \cdot (0.1)^2 = 0.5\,\mathrm{J} \] \(U_{\text{ελ,αρχική}} = 0.5\,\mathrm{J}\)

β) Μέγιστη ταχύτητα του συστήματος

Βήμα 1: Νέα θέση ισορροπίας (\(x_2\))

\[ (m_1 + m_2)g = 4 \cdot 10 = 40\,\mathrm{N} \] \[ kx_2 = (m_1 + m_2)g \implies x_2 = \frac{40}{100} = 0.4\,\mathrm{m} \]

Βήμα 2: Πλάτος ταλάντωσης (\(A\))

\[ A = x_2 - x_1 = 0.4 - 0.1 = 0.3\,\mathrm{m} \]

Βήμα 3: Γωνιακή συχνότητα (\(\omega\))

\[ \omega = \sqrt{\frac{k}{m_1 + m_2}} = \sqrt{\frac{100}{4}} = 5\,\mathrm{rad/s} \]

Βήμα 4: Μέγιστη ταχύτητα (\(\upsilon_{\max}\))

\[ \upsilon_{\max} = \omega A = 5 \cdot 0.3 = 1.5\,\mathrm{m/s} \] \(\upsilon_{\max} = 1.5\,\mathrm{m/s}\)

γ) Μέγιστη συμπίεση του ελατηρίου

Η μέγιστη συμπίεση παρατηρείται στη κάτω ακραία θέση της ταλάντωσης:

\[ x_{\max} = x_2 + A = 0.4 + 0.3 = 0.7\,\mathrm{m} \] \(x_{\max} = 0.7\,\mathrm{m}\)

Ερώτημα	Απάντηση
α) Δυναμική ενέργεια ελατηρίου πριν	\(0.5\,\mathrm{J}\)
β) Μέγιστη ταχύτητα συστήματος	\(1.5\,\mathrm{m/s}\)
γ) Μέγιστη συμπίεση ελατηρίου	\(0.7\,\mathrm{m}\)

📖 Θέλετε να δείτε και τις δύο ασκήσεις σε πλήρη οθόνη;

🔗 Δείτε περισσότερα

Ανοίγει σε νέα καρτέλα με την Άσκηση 1 και την Άσκηση 2

📄

Λήψη σε μορφή PDF

Κατεβάστε και τις δύο ασκήσεις με τις πλήρεις λύσεις τους σε μορφή PDF για εκτύπωση ή offline μελέτη.

📥 Κατεβάστε το PDF →

© 2026 · 2 Ασκήσεις Ταλαντώσεων με Πλήρεις Λύσεις | Φυσική Γ' Λυκείου